CN109270507B - Gnss-r双基sar成像机载运动误差补偿模型 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案提出了GNSS‑R双基SAR成像系统机载接收机运动误差补偿模型，包括对成像区域进行分块划分，属于导航领域。并提取其位置信息。当不同PRN卫星信号目标经过目标点，对机载接收机接收到的GNSS信号进行实时处理。提取该卫星的编号结合采集时刻的卫星星空图，计算该卫星的方位角和高度角，并将直反射信号进行相关处理。比较实际机载接收机运行时产生的位移偏差，利用本模型完成相位误差的补偿。通过直接利用实际回拨信号时延值，在接收机运行视线方向进行一次相位补偿，与直射信号相关处理得到距离向压缩结果，在航向方向进行二次相位补偿，进行方位向傅里叶变换，解耦后取模值，得到目标区域分辨率较高的成像结果。

Description

GNSS-R双基SAR成像机载运动误差补偿模型

技术领域

本发明属于导航领域，特别涉及GNSS-R双基SAR成像机载运动误差补偿模型。

背景技术

该模型处理的信号为GNSS卫星信号，其具有以下优势：1.系统自身不发射电磁波信号，而是利用非合作的GNSS卫星作为辐射源，不易被敌方感知，具有很强的生存能力和隐蔽性；2.工作性能优异，可以全天候、昼夜连续工作。3.由于该技术使用的是GNSS信号，地面基站可以直接使用成熟的GNSS接收机或数据采集器，降低了系统的整体部署难度和成本。

GNSS-R SAR成像是以导航卫星信号为信号源利用双基SAR体制对目标区域进行成像的一种无源双站SAR成像系统。SAR成像主要是利用发射机和接收机相对于探测区域的运动而引起的多普勒频移来进行成像的，但收发系统相互运动中产生的误差会影响距离向和方位向分辨率。机载运动误差是指主要由飞机的速度和加速度引起的接收机自身航迹偏离理想航迹，从而改变了接收机对于目标点的距离，导致回波信号相位发生崎变，不仅会影响目标点的成像位置，而且会影响多普勒频率和多普勒调频率，造成主瓣展宽和旁瓣幅值升高，图像轮廓模糊，分辨率降低。

目前，在误差补偿领域的研究中，大多都是基于传统雷达信号，但是针对GNSS-R信号的研究很少，本模型提出GNSS-R双基SAR成像运动误差分析补偿模型，通过对GNSS-R信号处理，达到对运动误差的补偿。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了用于提高误差补偿的GNSS-R双基SAR成像机载运动误差补偿模型。

为了达到上述技术目的，本发明提供了GNSS-R双基SAR成像系统机载接收机运动误差补偿模型，所述运动误差补偿模型包括：

对成像区域进行分块划分，并提取其位置信息；

当不同PRN卫星信号目标经过目标点，对机载接收机接收到的GNSS信号进行实时处理。提取该卫星的编号结合采集时刻的卫星星空图，计算该卫星的方位角和高度角，并将直反射信号进行处理；

比较实际机载接收机运行时产生的位移偏差，完成相位误差的补偿。

可选的，所述运动误差补偿模型包括：

对GNSS直反射信号数据进行捕获和跟踪处理，对跟踪的卫星进行幅值计算

其中，Mag_GNSS为卫星信号幅值，I_P为跟踪环的同相信号，Q_P为跟踪环的正交信号，I_P和Q_P均从跟踪环路中实时获取；

设R₀(t)是理想情况航线下的接收机到目标距离与卫星到目标的距离之和；其中R_R0是t＝0时刻接收机到目标点的最短距离；

飞机的运动误差△R(t)为

△R(t)＝R(t)-R₀(t) 公式二，

其中θ为接收机相对于目标的夹角，且有

x_R-x_T＝R_R0·sinθ 公式四。

可选的，所述运动误差补偿模型包括：

进行视线运动方向的相位误差补偿，规定视线速度方向(X和Z方向)垂直于设定飞行方向(Y轴正向)，计算接收机视线位移偏差，对回拨信号进行相位补偿；沿视线方向的误差主要为低阶相位，对参考距离处的相位进行补偿，即同一距离门的点进行聚焦，对包络误差进行校正，其相位补偿函数H_1e(t)为：

△R₂(t)＝△x_R(t)sinθ+△z_R(t)cosθ 公式六，

将视线方向误差补偿后的反射信号与直射信号进行相关处理，得到距离向压缩结果：

R(u)＝R_st(u)+R_tr(u)-R_sr(u) 公式八，

其中R_st(u)、R_tr(u)、R_sr(u)分别表示卫星和目标点，接收机和目标点，卫星和接收机的距离，u表示方位向时刻。

可选的，所述运动误差补偿模型包括：

距离向压缩后回波信号进行航向方向的相位补偿，沿航向方向的误差主要为高阶相位，完成了距离向操作和方位压缩的回波数据仍然存在距离向的残余误差，必须进行高阶相位补偿，

其相位补偿函数H_2e(t)：

距离向压缩结果经过方位向傅里叶变换得到结果

方位向滤波器的表达式为

H(x,f_d)＝W(f_d)exp{jθ₀(f_d)} 公式十三，

得到如公式十五所示的二维数据，进而基于二维数据取模值的方式得到图像

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

1.该模型利用GNSS卫星的实时位置信息可以通过导航电文或相关导航软件进行提取，无需提前建立信号源的数据库，具有方便、准确的优势。

2.该模型采用的误差补偿模型，针对不同形式的运动情况都适用，具有很好的应用性。

3.该模型误差补偿，只需要比较设定的航迹路线，通过对接收到的回波信号进行处理就可以实现成像结果的改善，设备简单且不受地域限制，有较好的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提出的双基SAR成像系统误差补偿模型的执行步骤示意图；

图2是本申请提出的进行误差补偿的简要流程示意图；

图3是本申请提出的基于GNSS-R双基SAR成像算法示意图；

图4是本申请提出的误差补偿流程图。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本发明提供了GNSS-R(global navigation satellite systemreflectometry)双基SAR成像系统误差补偿模型。该模型分析了机载接收机实验背景下运动误差对成像结果的影响，并针对不同种类的速度误差进行补偿。接收实际回波信号，并结合既定航行轨迹，在此基础上，利用本模型完成对机载运动误差的补偿。

本发明的目的在于：结合传统成像误差补偿模型，使用GNSS信号，解决在合成孔径过程中，由于空气阻力等机载接收机偏离设定航向产生的误差影响。结合理想飞行轨迹，提取经过目标区域反射的实际回波信号。，分析实际信号的时延。同时，接收机接收卫星直射的GNSS信号并进行直反射信号相关处理。通过比较理想航向下和实际运动轨迹中的时延差，分析相位变化并进行补偿，进一步减小运动误差对成像结果影响。

本发明的技术方案如图1所示，包括：

步骤一，对成像区域进行分块划分，并提取其位置信息。

步骤二，当不同PRN卫星信号目标经过目标点，对机载接收机接收到的GNSS信号进行实时处理。提取该卫星的编号结合采集时刻的卫星星空图，计算该卫星的方位角和高度角，并将直反射信号进行相关处理。

步骤三，比较实际机载接收机运行时产生的位移偏差，利用本模型完成相位误差的补偿。

搭建GNSS-R双基SAR成像模型，其中接收平台为机载形式，划分成像区域。

其中，Mag_GNSS为卫星信号幅值，I_P为跟踪环的同相信号，Q_P为跟踪环的正交信号，I_P和Q_P均可以从跟踪环路中实时获取。

设R₀(t)是理想情况航线下的接收机到目标距离与卫星到目标的距离之和。其中R_R0是t＝0时刻接收机到目标点的最短距离。飞机的运动误差△R(t)为

△R(t)＝R(t)-R₀(t)

其中θ为接收机相对于目标的夹角，且有

x_R-x_T＝R_R0·sinθ

图2为进行误差补偿的简要流程示意图。

根据图3所示的基于GNSS-R双基SAR成像系统示意图可以得知进行视线运动方向的相位误差补偿，规定视线速度方向(X和Z方向)垂直于设定飞行方向(Y轴正向)，计算接收机视线位移偏差，对回拨信号进行相位补偿。沿视线方向的误差主要为低阶相位，对参考距离处的相位进行补偿，即同一距离门的点进行聚焦，对包络误差进行校正，其相位补偿函数H_1e(t)为：

△R₂(t)＝△x_R(t)sinθ+△z_R(t)cosθ

根据图4所示，接收机接收卫星信号有两种途径，一路经过目标点反射后到达，另一个为接收机直接采集卫星信号。对GNSS直反射信号数据进行捕获和跟踪处理，对可以跟踪的卫星进行幅值计算。

将视线方向误差补偿后的反射信号与直射信号进行相关处理，得到距离向压缩结果：

R(u)＝R_st(u)+R_tr(u)-R_sr(u)

其中R_st(u)、R_tr(u)、R_sr(u)分别表示卫星和目标点，接收机和目标点，卫星和接收机的距离，u表示方位向时刻。

根据图4所示，将距离向压缩后回波信号进行航向方向的相位补偿，沿航向方向的误差主要为高阶相位，完成了距离向操作和方位压缩的回波数据仍然存在距离向的残余误差，必须进行高阶相位补偿。其相位补偿函数H_2e(t)：

根据图4所示，距离向压缩结果经过方位向傅里叶变换得到结果

根据图4所式，方位向滤波器

H(x,fd)＝W(f_d)exp{jθ₀(f_d)}

可以得到二维数据

取模值就可得到图像。

本发明的技术方案包括对成像区域进行分块划分，并提取其位置信息。当不同PRN卫星信号目标经过目标点，对机载接收机接收到的GNSS信号进行实时处理。提取该卫星的编号结合采集时刻的卫星星空图，计算该卫星的方位角和高度角，并将直反射信号进行相关处理。比较实际机载接收机运行时产生的位移偏差，利用本模型完成相位误差的补偿。通过结合传统成像误差补偿模型，使用GNSS信号，解决在合成孔径过程中，由于空气阻力等机载接收机偏离设定航向产生的误差影响。结合理想飞行轨迹，提取经过目标区域反射的实际回波信号。，分析实际信号的时延。同时，接收机接收卫星直射的GNSS信号并进行直反射信号相关处理。通过比较理想航向下和实际运动轨迹中的时延差，分析相位变化并进行补偿，进一步减小运动误差对成像结果影响。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.GNSS-R双基SAR成像系统机载接收机运动误差补偿模型，其特征在于，所述运动误差补偿模型包括：

对成像区域进行分块划分，并提取其位置信息；

当不同PRN卫星信号目标经过目标点，对机载接收机接收到的GNSS信号进行实时处理，提取该卫星的编号结合采集时刻的卫星星空图，计算该卫星的方位角和高度角，并将直反射信号进行处理；

比较实际机载接收机运行时产生的位移偏差，完成相位误差的补偿；所述运动误差补偿模型包括：

对GNSS直反射信号数据进行捕获和跟踪处理，对跟踪的卫星进行幅值计算

其中，Mag_GNSS为卫星信号幅值，I_P为跟踪环的同相信号，Q_P为跟踪环的正交信号，I_P和Q_P均从跟踪环路中实时获取；

设R₀(t)是理想情况航线下的接收机到目标距离与卫星到目标的距离之和；其中R_R0是t＝0时刻接收机到目标点的最短距离；

飞机的运动误差ΔR(t)为

ΔR(t)＝R(t)-R₀(t) 公式二，

其中θ为接收机相对于目标的夹角，且有

x_R-x_T＝R_R0·sinθ 公式四；所述运动误差补偿模型包括：

进行视线运动方向的相位误差补偿，规定视线速度方向垂直于设定飞行方向，其中视线速度方向即X和Z方向，设定飞行方向即Y轴正向，计算接收机视线位移偏差，对回波信号进行相位补偿；沿视线方向的误差主要为低阶相位，对参考距离处的相位进行补偿，即同一距离门的点进行聚焦，对包络误差进行校正，其相位补偿函数H_1e(t)为：

ΔR₂(t)＝Δx_R(t)sinθ+Δz_R(t)cosθ 公式六，

将视线方向误差补偿后的反射信号与直射信号进行相关处理，得到距离向压缩结果：

R(u)＝R_st(u)+R_tr(u)-R_sr(u) 公式八，

其中R_st(u)、R_tr(u)、R_sr(u)分别表示卫星和目标点，接收机和目标点，卫星和接收机的距离，u表示方位向时刻。

2.根据权利要求1所述的GNSS-R双基SAR成像系统机载接收机运动误差补偿模型，其特征在于，所述运动误差补偿模型包括：

距离向压缩后回波信号进行航向方向的相位补偿，沿航向方向的误差主要为高阶相位，完成了距离向操作和方位压缩的回波数据仍然存在距离向的残余误差，必须进行高阶相位补偿，

其相位补偿函数H_2e(t)：

距离向压缩结果经过方位向傅里叶变换得到结果

方位向滤波器的表达式为H(x,f_d)＝W(f_d)exp{jθ₀(f_d)} 公式十三，

得到如公式十五所示的二维数据，进而基于二维数据取模值的方式得到图像